Глава 7. Композиційні порошкові матеріали

7.1. ВИМОГИ, ЩОДО КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

До композиційних відносяться матеріали: 1) що складаються з двох або більш за компоненти, які розрізняються по хімічному складу і розділені видимим кордоном; 2) властивості яких відрізняються від властивостей матеріалів їх компонентів і залежать від них; 3) склад властивості і розподіл компонентів в яких задано заздалегідь; 4) що мають неоднородную структуру в мікромасштабе і однорідну — у макромасштабе.

Такі ознаки композиційних матеріалів обумовлені необхідністю додати матеріалам спеціальні вищі властивості, ніж в традиційно вживаних. Композиційні матеріали, широко вживані в даний час, володіють високими міцністю, жорсткістю підвищеною опірністю до втомного руйнування, малою чутливістю до концентраторів напруги. Крім того, композиційні матеріали мають високі зносостійкість, жароміцність і ряд інших властивостей, які роблять їх ефективними при вживанні в різних областях техніки особливо спеціального призначення. Тому до композиційних матеріалів поряд із спільними вимогами пред'являється ряд спеціальних: 1) високі прочностниє властивості при щодо низької щільності; 2) висока пластичність при малому відносному подовженні при розтягуванні; 3) підвищена опірність динамічним і термічним навантаженням; 4) можливість регулювання властивостей в широких межах зміною їх структури.

Вживання композиційних матеріалів, відповідних вказаним вимогам, для виготовлення відповідальних деталей машин і механізмів дозволяє значно понизити їх матеріаломісткість, підвищити міцність і експлуатаційні характеристики.

7.2. КЛАСИФІКАЦІЯ, ВЛАСТИВОСТЕЙ І ПРИЗНАЧЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

Зазвичай композиційні матеріали складаються з двох структурних складових: безперервною у всьому об'ємі композиційного матеріалу, яка називається матрицею, і переривистою, равно-мірно розподіленої в об'ємі композиції, яка називається формуючим компонентом, або упрочнітелем.

Композиційні матеріали можна класифікувати по структурі, матеріалу матриці, типові армуючих компонентів і їх орієнтації. По структурі вони класифікуються на: 1) волокнисті і шаруваті; 2) дисперсно-зміцнені; 3) евтектичні.

Волокнисті композиційні матеріали складаються з матриці, в якій рівномірно розподілені одновимірні компоненти у формі волокон-проволоки, ниткоподібних кристалів «усов» і ін. Шаруваті матеріали є набором двомірних компонентів, що чергуються, у вигляді листів, пластин і тому подібне У волокнистих композиційних матеріалах армуючі компоненти скріпляють матрицею і є такими, що несуть, опре¬деляя міцність всієї композиції, а матриця передає навантаження на волокна і, в разі руйнування деяких з них, перерозподіляє напругу. Крім того матриця захищає волокна від окислення і механічного руйнування.

У шаруватих матеріалах шар пластичного матеріалу виконує функцію матриці, а шар твердого матеріала— несучих елементів.

Дісперсно-зміцнені композиційні матеріали містять рівномірно розподілені в об'ємі матриці дисперсні частки, що не взаємодіють з матрицею в процесі виготовлення і експлуатації матеріалу. Відзнака цих матеріалів від дісперсионно-старіючих полягає в тому що зміцнюючі частки вводяться в матеріал матриці на одному з етапів їх виготовлення, а в дісперсионно-стареющих сплавах упроч¬няющие частки виділяються в результаті розщеплювання переси¬щенних твердих розчинів компонентів, що входять до складу матриці. У дісперсно-зміцнених матеріалах несучим елементом є матриця, а рівномірно розподілені в ній дисперсні частки служать зміцнюючою фазою, оскільки гальмують переміщення дислокацій, що виникають при деформації композиційного матеріалу, що обумовлює підвищення його прочностних характеристик.

Евтектичні композиційні матеріали містять зміцнюючу фазу у формі стрижнів або пластин, що володіють досконалою структурою і по механічних властивостях тих, що наближаються до ниткоподібних кристалів. Зміцнююча фаза в евтектичних композиційних матеріалах утворюється в результаті направленої кристалізації рідини евтектичного складу. На відміну від інших композиційних матеріалів, що мають багатоопераційні технології виготовлення евтектичні отримують безпосередньо в процесі направленої кристалізації розплаву евтектичного складу. Це дозволяє поєднувати процес здобуття деталі і формування структури, відповідної вимогам, що пред'являються до композиційних матеріалів. Ев¬тектічеськие композиційні матеріали володіють вищою термодинамічною стабільністю в порівнянні з іншими, по-ськольку утворення структури відбувається в рівноважних усло-віях кристалізації і має місце ідеальне сполучення матриця — упрочнітель.

За матеріалом матриці всі композиційні матеріали розділяють на три групи: 1) металеві; 2) полімерні; 3) керамічні.

У металевих композиційних матеріалу як матриця використовуються метали і їх сплави, наприклад алюміній, магній, титан, мідь, нікель, кобальт, тугоплавкі метали і їх сплави.

У полімерних композиційних матеріалах використовують полімерні матеріали: епоксидні, поліефірниє, фенолові, кремнійорганічні і поліамідниє смоли. Вибір матеріалу матриці визначається умовами роботи: температурою і навантаженнями, а також токсичністю і технологічністю при виготовленні.

Керамічні композиційні матеріали як матриця містять кераміку або суміші кераміки з металламі— оксиди алюмінію, цирконію, кремнію, магнію і суміші їх з хромом.

По орієнтації армуючих компонентів композиційні ма-теріали розділяються на ізотропних і анізотропних.

Ізотропні матеріали характеризуються однаковими властивостями на всіх напрямках за рахунок хаотичного або рівномірного розподілу зміцнюючих фаз за всім обсягом матеріалу.

У анізотропних композиційних матеріалах упрочнітелі розташовані (орієнтовані) в певному направленні. До них відносяться: 1) композиційні матеріали, армовані безперервними волокнами; 2) евтектичні і дісперсно-зміцнені, піддані направленій деформації.

Композиційні матеріали по прочностним властивостях перевершують традиційні високоміцні стали. Це пояснюється різними механізмами розвитку тріщин при деформації. Так, якщо в звичайних матеріалах тріщина, що утворилася, поширюється безперешкодно, то в композиційних — тріщини, що виникають в матриці зустрічають перешкоди на кордоні розділу волокно — матриця, що гальмує їх поширення. При цьому збільшення цагрузок приводить до перерозподілу напруги між армуючими компонентами.

Визначимо розподіл напруги у волокнах і механізм зміцнення композиційних матеріалів наприклад для волокна довжиною l, що знаходиться в матриці, допустившись, що: 1) волокно і матриця працюють в пружній області; 2) модуль пружності волокна більше модуля пружності матриці (Ев>Ем), що обмежує вільне подовження матриці в сусідній з волокном зоні; 3) між волокном і матрицею ідеальний зв'язок і відсутня передача напруги через торці волокна.

Р ис. 51. Схема совместной деформации волокон и матрицы (а) и эпюры касательных т и нормальных 0 напряжений в волокне в упругой (б) и упругопластической (в) областях.

При додатку розтягуючого навантаження волокно, що характеризується вищим модулем пружності, обмежуватиме вільне переміщення матриці в довколишній зоні (рис. 51, а). У областях, віддалених від волокна, матриця вільно і рівномірно пластично подовжується. Це приводить до обурення поля деформації в прилеглій до волокна зони.

У міру видалення від волокна обурення слабшає. Розподіл розтягуючої напруги а уздовж волокна показано на рис. 51, б.

Оскільки навантаження не передається через торці волокна то розтягуюча напруга зростає від нуля на його кінцях до максимального значення в точці х=l_кор/2 (l_кор — довжина короткого волокна, необхідна для досягнення напруги, рівної напрузі у волокні безконечної довжини).

З рівноваги сил, що діють на волокно, слідує що дотична напруга максимальна на кінцях волокон і мінімальна в середині (див.рис.51,б). Аналіз відношення Тщах/бтах показує, що максимальна дотична напруга на поверхні розділу може досягати 0,1—0,3δв і перевищувати межу текучості матриці що приводить до пластичної деформації матриці. При цьому епюра напруги набирає вигляду, приведеного на рис. 51, в. Максимальні значення дотичної напруги обмежуються межею текучості матеріалу матриці.

За межами області пружності довжина передачі навантаження і, отже, lкор залежать від напруги руйнування волокна σ^р_в

Цю залежність отримаємо з умови рівноваги елементів волокна і матриці передбачивши рівність дотичної напруги до межі текучості матриці τм:

З вираження виходить, що критична довжина волокна зростає пропорційно напрузі руйнування волокна.

Прочностниє властивості композиційних матеріалів залежать від властивостей матриці і волокон, а також від їх кількісного співвідношення. При рівномірному розподілі волокон.в матриці, їх однорідності орієнтації в одному направленні і відсутності прослизання між волокнами і матрицею осьове навантаження, що додається до матеріалу, пов'язане з напругою співвідношенням

де F — площа поперечного перерізу зразка.

Якщо поверхня руйнування плоска, то руйнівне навантаження Рmах пов'язана з осьовою напругою руйнування а σ^р_z такою ж залежністю.

Міцність композиційного матеріалу при розтягуванні

Оскільки поверхня руйнувань проходить через обидва компоненти, то

Де Fв і Fм — відповідно майдану поперечного перетину волокна і матриці.

При руйнуванні композиційного матеріалу напруги на волокнах приблизно дорівнюють середній міцності волокон в композиції σ^р_в, а напруга в матриці — середній напрузі перебігу у момент руйнування волокон δм. Тому останнє вираження можна записати так:

Якщо в будь-якому поперечному перетині матеріалу відносний майдан волокон і матриці однаковий, то це рівняння прийме вигляд

де Vв і Vм — відповідно об'ємні долі волокна і матриці.

Це рівняння називається правилом суміші, або аддитивності, і справедливо для тих випадків, коли розкид значень міцності волокон знаходиться у вузькому інтервалі. Такій умові соответст-вуют металеві дроту. При використанні крихких волокон — «усов», яким властива велика дисперсія механічних властивостей, недостатньо використовувати лише середнє значення проч¬ності, слід враховувати її дисперсію.

Об'єм волокон Vв, що вводяться в матрицю, має певні обмеження. При великих об'ємах волокон спостерігається відхилення від правила аддитивності, оскільки не удається здійснити їх рівномірне укладання і в місцях зіткнення декількох волокон тріщини, що утворилися, стають магістральними. Останнє знижує міцність композиційного матеріалу. При малій об'ємній долі волокон на них різко зростає напруга, що приводить до їх дроблення. У разі, коли деформаційне зміцнення матриці заповнює втрату міцності волокон, що руйнуються міцність композиції визначається властивостями матриці:

де σ^р_м — міцність матриці.

Спільним вирішенням двох останніх рівнянь можна визначити мінімальну об'ємну долю волокон, вище за яку справедливе рівняння аддитивності:

З цього співвідношення виходить, що для матриць (σ^р_м — σ_м велике) Vmin, що сильно зміцнюються, менше, ніж за відсутності деформацийного зміцнення.

Основна мета армування — здобуття композиції з міцністю вище за міцність матриці

По цьому співвідношенню можна обчислити критичну об'ємну долю волокон, яку необхідно перевищити, щоб отримати ефект зміцнення:

Звідси витікає, що чим більше різниця в міцності волокон і матриці, тим менше критична об'ємна доля волокон, кото¬рая може змінюватися в широких межах (від 1 до 50 %).

Зміцнення дісперсно-зміцнених матеріалів, згідно моделі Е. Орована, відбувається за рахунок освіти довкола дисперсних часток кілець дислокацій. Дислокація під дією дотичної напруги вигинається між зміцнюючими частками (рис. 52), утворюючи кільця, і ковзає далі. Нова дислокація проходячи між частками, утворює наступне кільце, тому сумарна довжина дислокацій і їх енергії зростають, створюючи поле пружної напруги, що утрудняє проштовхування нових дислокацій між частками.

При збільшенні деформації петлі дислокацій переміщаються до появи статичної рівноваги, потім утворюються гвинтові складові фігури дислокації, які ковзають впоперек поля напруги до зіткнення з собі подібними петлями, обриваються і утворюють дві призматичні петлі які розташовуються перпендикулярно до поля напруги.

Напруга, необхідна для вигинання дислокацій між частками, визначається рівнянням

Величина, отримана по цьому рівнянню, показує, на скільки збільшиться початкова напруга зрушення матриці, яке виникає у момент перерізання дисперсної частки дислокаціями. Існує критичний діаметр часток dкр: частки з великим діаметром огинаються дислокаціями а частки з мень-шим діаметром — перерізуються. Визначається dкр по формулі

де τсд — критична напруга зрушення, необхідна для деформації часток.

На рис. 53 приведена залежність напруги зрушення при пе-ререзанії і обгинанні часток дислокаціями залежно від їх діаметру.

Для багатьох зміцнюючих елементів dкр складає величину порядка 0,01—0,05 мкм а відстань між частками — 0,1— 0,05 мкм. Необхідний граничний об'ємний вміст зміцнюючих часток в матриці визначається залежністю

де L— відстань між центрами часток; d — діаметр часток; f — об'ємна доля часток.

Ефективне зміцнення досягається при вмісті зміцнюючої фази в матриці 5—10 про.%.

Механізми зміцнення композиційних матеріалів, що розгледіли, мають багато обмежуючих умов проте добре пояснюють процес зміцнення і його основні закономірності.

Для вирішення багатьох завдань (конструкторських, технологічних) необхідно знати характер руйнування композиційних матеріалів. Для волокнистих композиційних матеріалів характер руйнування залежить від об'ємного вмісту волокон в матриці, їх орієнтації і співвідношення їх деформацій до руйнування. Існують поняття множинного і однократного руйнування (рис. 54). При однократному руйнуванні композиція руйнується при руйнуванні одного волокна (рис. 54, а), при множинному — руйнуванню композиції передує руйнування багатьох волокон (див. рис.54,б).

При малих деформаціях можна записати правило аддитивності для напруги

Ця залежність дотримуватиметься, поки не буде досягнута деформація руйнування однієї з складових. Оскільки деформація руйнування волокон менше, ніж матриці (е_в<е_м), то це рівняння можна записати у вигляді

Досягши напруги, рівної міцності δ^в_р, волокна починають руйнуватися і навантаження передається матриці. Матриця, а отже, і композиція руйнуватимуться після руйнування першого волокна, якщо виконується неравенство:

Зворотне неравенство означає, що після розриву першого волокна композиція не руйнується. При подальшому навантаженні композії волокна дробляться до тих пір, поки композиція не руйнуватиметься при напрузі

Криві деформації δ — ε композицій, що руйнуються по цих механізмах, приведені на рис. 55. При однократному руйнуванні діаграма деформації має лише лінійну стадію з модулем пружності

до деформації ε_в, вище за яку розрив першого волокна ініціює руйнування всієї композиції (рис. 55, а). Низхідна гілка діаграми відповідає витягуванню волокон з матриці.

П ри множинному руйнуванні на діаграмі з'являється ділянка, відповідна межі текучості із зміною модуля пружності

де (dv/dz)м — коефіцієнт деформаційного зміцнення матриці. Руйнування композиції станеться при напрузі δ^в_рVм (див. рис.55,б).

При відхиленні орієнтації волокон від направлення пріложе-нія навантаження характер руйнування змінюється, міцність композиції зменшується. Так, при кутах відхилення θ<10° (у — кут між віссю волокна і направленням додатка навантаження) разрушеніє композиції відбувається унаслідок розриву волокон і міцність розраховується по формулі

де σк — міцність композиції при θ=0°.

П ри θ=10...70° руйнування матриці відбувається в результаті зсуву матриці в плоскості, паралельній волокну, і міцність композиції визначається по залежності

де τ_м — межа міцності матриці на зрушення.

При великих кутах відхилення композиція руйнується або шляхом розриву матриці перпендикулярно до поверхні волокна, або по поверхні розділу. Міцність в цьому випадку розраховується по формулі

Існує критичний, вище за яке міцність композиції різко знижується.

Аналогічний механізм руйнування евтектичних композіцион¬них матеріалів. Оскільки обов'язковою умовою їх существо¬ванія є наявність крихких упрочнітелей в пластичній матриці то в результаті прикладеної напруги руйнується упрочнітель і в пластичній матриці утворюються багаточисельні пори. При підвищенні навантаження під дією деформації зрушення матриці вони зростають до тих пір, поки станеться їх злиття, що приводить до руйнування композиції.

Вищевикладені механізми зміцнення і руйнування композиційних матеріалів показують, що їх прочностниє властивості у декілька разів перевищують такі показники в кожному окремо взятому компоненті. Крім того, для збільшення ефекту зміцнення необходимо применять пластическую деформационно-упрочня-емую матрицу и упрочнители с высоким модулем упругости.

Композиційні матеріали на основі алюмінію і його сплавів при армуванні високоміцними волокнами стали, бору, борсика, вуглецю, оксиду кремнію, карбіду кремнію, вольфраму, молібде¬на, берилія і іншими мають високу питому міцність і жароміцність, володіють високою жорсткістю. Наприклад армірова¬ніє сплаву Амгб сталевим дротом Х18н9т перетином 0,1 мм дозволяє досягти міцності композиції 1500 Мпа і відносного подовження 4,2 %.

Армування приводить до значного підвищення тривалої міцності. Так, при введенні в сплав Амгз сталевого дроту (Vв = 8 %) його сточасовая тривала міцність при 300 °С повищуєтся в 2,1 разу, а при 400 °С — у 1,7 разу. Збільшується також опір повзучості. Швидкість повзучості композиційного матеріалу на основі Аl, армованого дротом У8A(Vв=20 %), в 30 разів нижче, ніж матриці.

Значне поліпшення прочностних властивостей досягається при армуванні алюмінію і його сплавів неметалічними волокна-мі при збереженні малої щільності. Так, армування алюмінію волокнами бору (Vв = 50 %) підвищує міцність з 70 для чистого алюмінію до 1400 Мпа для армованого при цьому модуль пружності зростає в 2,5 разу. Перспективними армуючими еле-ментамі для алюмінію і його сплавів є вуглецеві волок-на, що збільшують міцність в 4—5 разів і дозволяють підвищувати експлуатаційні властивості при температурах до 500 °С. Так, сплав А1 —Zn (13% 2\л) армований вуглецевими волокнами, при температурі 500 °С має межу міцності 660 Мпа. Крім того, алюміній, армований вуглецевим волокном, характеризується високою жорсткістю, малою щільністю і високою втомною міцністю, яка знаходиться на рівні втомної міцності легованих сталей.

Для армування алюмінію і його сплавів застосовують неметалічних волокна SiO₂, SiС, які підвищують межу витривалості композиції і зберігають її на високому рівні до 450 °С.

Матеріали на основі магнію, армовані високоміцними і високомодульнимі волокнами, по питомій міцності і жорсткості перевершують композиційні матеріали на основі алюмінію. Армування магнію сталевим дротом дозволяє створити композицію з низькою щільністю, високими жорсткістю пластичністю і ударною в'язкістю. Армування магнійлітієвого сплаву високоміцним сталевим дротом (Vв = 30 %) дозволяє досягти міцності композиції 710 Мпа при кімнатній температурі і 450 Мпа при 400 °С. Крім того така композиція може под¬вергаться пластичної деформації при кімнатній температурі.

При армуванні магнійлітієвого сплаву титановим дротом зберігається мала щільність композиційного матеріалу, в 3 рази зростають міцність, в 1,6 разу — питома міцність в порівнянні з неармірованной матрицею.

Високими прочностнимі властивостями характеризуються композиційні матеріали магній — борне волокно. Оскільки бор не розчиняється в рідкому магнії, то для виготовлення композіцион-ного матеріалу можна застосовувати високотемпературні процеси — просочення і литво що дозволяє довести об'ємну долю борних волокон до 75 %. Міцність отриманої композиції при вмісті борних волокон 75 % досягає 1300 Мпа. Сточасовая тривала міцність (при Кn=45 %) складає 700 МПа при температурі 400 °С.

Недоліком композиційних матеріалів на основі магнію є їх знижена корозійна стійкість.

Підвищити жорсткість і розширити діапазон робочих температур титана і його сплавів дозволяє армування титанової матриці металевим дротом, волокнами карбідів кремнію і бору. При введенні до складу титану молібденового дроту перетином 0,08 мм (Vв = 44 %) міцність його при кімнатній температурі і модуль пружності зростають в 2—3 разу, а при температурі 800 °С — міцність досягає 325 Мпа, що в 10 разів перевищує міцність матеріалу матриці. Вживання як матриця титану легованого алюмінієм, ванадієм і магнієм, дозволяє ще більше підвищувати прочностниє характеристики матеріалу. Так, сплав Вт15, що містить 7 % Мg, має міцність при кімнатній температурі 1490 Мпа.

Для підвищення питомої міцності титана і його сплавів широко використовують такі армуючі елементи, як бор і карбід кремнію, які дозволяють підвищити не лише питомі прочностниє характеристики композиційних матеріалів на основі титану, але і абсолютні. При вмісті в титановій матриці 50 % волокон бору міцність композиції підвищується до 1240 Мпа. Проте при підвищених температурах прочностниє властивості різко знижуються унаслідок взаємодії титану з бором. Для підвищення стабільності волокон бору в титановій матриці їх покривають карбідом кремнію (волокно — борсик). Вживання борсика як армуючий компонент дає більший ефект, чим вживання волокон карбіду кремнію.

Композиційні матеріали на основі нікелю застосовують як жароміцні. Як упрочнітелей використовують ніте-відниє кристали, дріт тугоплавких металів, керамічні і вуглецеві волокна. Оскільки матеріал застосовується при високих температурах особливе значення необхідно приділяти запобіганню взаємодії матриці і армуючого компоненту. Так, ниткоподібні кристали оксиду алюмінію покривають вольфрамом або керамікою — оксидами ітрію і торія. Для зменшення розчинності волокон вольфраму застосовують сплав нікелю, гранично насичений вольфрамом. Для підвищення стабільності системи Ni — C на вуглецеві волокна наносять бар'єрні покриття з карбідів і нітрідов цирконію, карбідів титану, що підвищує робочі температури матеріалів до 1000 °С.

У електротехнічній промисловості застосовуються композі-ционниє матеріали на основі міді, армовані волокнами вольфраму, заліза, титану. Композиційний матеріал на основі міді, армований волокнами вольфраму (Vв = 35 %) має міцність 700 Мпа при зниженні електропроводімості на 25 % щодо чистої міді. Істотне підвищення міцності досягається при легуванні матриці нікелю кобальтом, алюмінієм, титаном і іншими металами.

Дісперсно-зміцнені матеріали на основі алюмінію, никеля, вольфраму, міді, берилія магнію, платини, олова, срібла, урану широко застосовуються в техніці.

Для алюмінієвих дісперсно-зміцнених матеріалів зміцнюючою фазою служить оксидна плівка на поверхні початкових часток, оптимальний вміст якої складає 4—14 %. Промисловістю випускаються три марки дісперсно-зміцнених сплавів: САП—1, САП — 2 і САП — 3 що володіють високими корозійною і радіаційною стійкістю, межкрісталлітной корозії, що не піддаються, і що мають жароміцність в 2—3 разу вище за звичайні алюмініємих сплави. Крім того вказані сплави володіють високою термостабільностью (при температурі 500 °С протягом 200 ч структурні зміни і зниження міцності не виявлені).

Як зміцнювач алюмінію застосовують і вуглець в кількості 3—5 %. Зміцнюючою фазою служить карбід алюмінію, що утворюється в результаті спеканія суміші Аl — С. Прі вмісті 5% вуглецю міцність при температурі 400 °С складає 180— 200 Мпа. Збільшується зносостійкість оскільки вуглець діє як тверде мастило.

Дісперсно-зміцнені нікелеві сплави мають підвищену жароміцність і низьку високотемпературну повзучість в порівнянні з чистим нікелем і його сплавами. Як упрочнітелей використовують ТhО₂, НfO₂, ZrO₂ і Y₂O₃ оскільки їх стабільність в нікелі при підвищених температурах вище, ніж інших тугоплавких з'єднань. Дісперсно-зміцнені матеріали на основі нікелю зберігають високий опір повзучості до 1300 °С, мають високу жаростійкість.

У дісперсно-зміцнених матеріалах на основі вольфраму як змічнювача застосовують оксиди торія, цирконію, нітріди і карбіди гафнію і цирконію. Наявність дисперсних часток підвищує температуру рекристалізації вольфраму. У промислових масштабах випускається вольфрам дісперсно-упрочненний оксидом торія (торійований вольфрам). При вмісті оксиду торія до 1,5 % температура його рекристалізації підвищується з 1400 до 2000 °С. Крім того, зростає стопротівленіє ползуче¬сті: чистий вольфрам при температурі 1500 °С витримує навантаження 100 Мпа протягом 2 ч торійований — 100 ч.

Вживання як упрочнітелей карбідів також підвищує жароміцність вольфраму. Так, при температурі 2200 °С міцність чистого вольфраму складає 30 Мпа, а зміцненого 0,4 % HfC — 200 Мпа.

Дісперсно-упрочненниє матеріали на основі міді мають високу жароміцність. Введенням в мідь зміцнюючих часток А1₂O₃, ВeО, ТiO₂, TiС, ВN, ТiN в кількості 1,5—2,0 % підвищують температуру рекристалізації. Разупрочненіє таких матеріалів відбувається при температурах 0,80—0,95 Гпл. Крім того матеріал зберігає високу пластичність, що дозволяє піддавати його холодній деформації. Оптимальне поєднання міцності і електропровідності забезпечується при вмісті включень оксидів до 2%.

Дісперсно-зміцнені матеріали на основі берилія володіють високим опором повзучості і підвищеною корозійною стійкістю у воді. Як зміцнюючі добавки використовують ВeО і Ве₂С.

Дісперсно-зміцнені матеріали на основі магнію характеризуються низькою щільністю, високими міцністю, вібростойкостью, температурою рекристалізації (до 0,9 Тпл). Висока пластичність матеріалу дозволяє виготовляти деталі складних профілів. Для роботи при підвищених температурах необхідний захист від корозії. Як упрочнітелей використовують МgO і ВeО в кількостях 0,3—5 %.

Як зміцнююча фаза в дісперсно-упрочненном мате-ріале на основі платини використовують оксид торія або карбіди титану і цирконію. Торійована платина має тривалу міцність (100 ч) при 1400 °С 40 Мпа, сплав Рt — 40 % Rh — 14 Мпа, лита платина — 2 Мпа.

У дісперсно-упрочненних матеріалах на основі олова зміцнюючим компонентом служить SnO₂ в кількості 0,25 %. При кімнатній температурі міцність матеріалу складає 6,5 Мпа при відносному подовженні 10—12 %, а при температурі 150 °С межа тривалої міцності (100 ч) досягає 10 Мпа що в 3—4 разу перевищує аналогічний показник для литих сплавів на основi олова.

Промислове вживання знаходять дісперсно-зміцнені матеріали на основі срібла (КМК —А10, КМК — АЮМ), які відрізняються способом виготовлення і механічними характеристиками. Як упрочнітеля використовують оксид кадмію в кількості 15 %. Матеріали володіють підвищеною твердістю і ерозійною стійкістю при збереженні близько 80 % електропроводімості чистого срібла. Як добавки, що зміцнюють срібло, застосовують оксиди алюмінію і міді. Матеріал, що містить 1 % А1₂0₃ має міцність при кімнатній температурі 350 Мпа, відносне подовження до 20 % і зберігає 80% електропроводімості чистого срібла.

Зміцнення урану оксидом урану (7,5 %) дозволяє при однаковій швидкості повзучість підвищити допустиму напругу в 4 рази при 500 °С і в 10 разів при 600 °С. При кімнатній температурі матеріал має межу міцності 800—850 Мпа, межа текучесті— 460—520 Мпа і відносне подовження до 20 %. При цьому дісперсно-упрочненний уран характеризується підвищеною радіацыоною стійкістю і менше збільшується в розмірах при перетвореннях, що зменшує розбухання тепловиділяючих елементів в ядерних реакторах.

Окрім описаних вище відомі дісперсно-упрочненниє мате¬ріали на основі цинку, заліза золото і інших, в яких як зміцнююча фаза застосовують термостабільні оксиди. А1₂0₃, ВeО, Th0₂.

Дисперсне зміцнення матеріалів загалом застосовують для підвищення прочностних характеристик при кімнатних і повишен¬них температурах, а також поліпшення спеціальних властивостей. Так,, дисперсне зміцнення цинку зменшує анізотропію його властивостей, залоза — знижує схильність до окрихчування під дією опромінення золото — зменшує схвативаємость при використанні: його як контактні матеріали.

Властивості евтектичних композиційних матеріалів сильно залежать від форми і об'ємної долі фази упрочнітеля, що виділяється, які визначаються швидкістю кристалізації. Залежність міцності евтектичних композиційних матеріалів від швидкості кристалізації приведена в таблиці. 54.

Структура евтектичного композиційного матеріалу Al—Al₃Ni стабільна навіть при температурах 600°с, оскільки волокна з Al₃Ni не піддаються сфероїдізациі і укороченню. Повзучість вказаного матеріалу також значно залежить від швидкості кристалізації евтектики. Так, при температурі 250 °С і напрузі 105 Мпа довговічність матеріалу, що кристалізувався із швидкістю 11 см/ч, складає 105 ч, а при швидкості кристалізації 2 см/ч — 3 ч.

Вживання композиційних матеріалів визначається їх специфічними властивостями, які повинні забезпечувати ефективну роботу конструкцій і механізмів. Так волокнисті матеріали на основі алюмінію, магнію і титану, що характеризуються малою щільністю, застосовуються в авіаційній і космічній техніці. Сплави на основі титану і алюмінію, армовані волокнами бору і борсика, використовуються для виготовлення обшивок транспортних літаків, панелей крила балок кріплення шасі і багатьох інших деталей. У космічних апаратах вони іспользу¬ются для виготовлення елементів жорсткості панелей сонячних батарей, герметичних кабін екіпажа, кожухів, спідниць, реактивних двигунів, перехідних відсіків.

Композиційні матеріали на основі полімерів, армовані волокнами бору і скла, також застосовуються для ізготовлення деталей літальних апаратів.

У вертолетостроєнії їх застосовують для виготовлення дверей кабіни пілота і багажного відділення, вертикального кіля, горизонтального стабілізатора, лонжеронів, лопатей гвинта і ін.

Дісперсно-зміцнені евтектичні і волокнисті композиції на основі нікелю використовуються для виготовлення деталей газотурбінних двигунів, робочих і соплових лопаток, деталей теплопостачання. У космічних апаратах вказані матеріали служать як теплозахисні панелі.

Широке вживання композиційних матеріалів в авіаційній і космічній техніці обумовлене можливістю значитель-ного зниження маси літальних апаратів, а отже, підвищенням корисного навантаження. Так, в даний час, завдяки вживанню композиційних матеріалів маса літака знижується в середньому на 15—20 %, а по прогнозах фахівців до 2000 р. ця цифра зросте до 60 %.

Композиційні матеріали на основі міді, цинку і свинцю застосовуються у виробах різного призначення, де необхідні висока зносостійкість, малий коефіцієнт тертя висока електропроводімость, термостабільность, здатність зберігати високі прочностниє властивості і пружність.

Свинець, армований вуглецевими волокнами, використовується для виготовлення батарей і акумуляторів, конструкційних деталей хімічних апаратів, звукопоглинальних елементів, елементів поглинаючих у-випромінення.

Розробка нових технологій здобуття зміцнюючих елементів і композиційних матеріалів, які знижують їх вартість, а також підвищені вимоги до міцності конструкційних матеріалів і їх металоємності обумовлюють вживання композиційних матеріалів в багатьох галузях промисловості. Доцільно застосовувати композиційні матеріали при необхідності зменшення маси і підвищення питомої міцності деталей.

У автомобільній промисловості композиційні матеріали використовують для виготовлення кузовів автомобілів, коробок передач, поршнів і циліндрів, передавальних механізмів, ресор шасі з підсилюючими елементами і так далі Це дозволяє в 2—3 разу підвищити питому міцність за рахунок підвищеної жорсткості, циклічної міцності композиційних матеріалів. Крім того, зменшується маса, збільшується вантажопідйомність машин, знижується витрата горючесмазочних матеріалів.

У металургійній промисловості використовують композіцион¬ниє матеріали для футеровки печей, виготовлення кожухів печей, наконечників термопар, що занурюються в рідкий метал, що подовжує термін служби устаткування. Вживання композиційних матеріалів в гірничодобувній промисловості дозволяє підвищити абразивну стійкість бурового інструменту, деталей бурових комбайнів і машин.

Ефективне вживання композиційних армованих матеріалів в електротехніці. Армування міді і срібла підвищує ресурс роботи потужних вимикачів в 10 і більше разів. Дроти силових електростанцій армують волокнами бору, сталевий про¬волокой, дротом ніобію, що збільшує їх жорсткість подовжує термін служби і зменшує витрату міді.

В цілому вживання композиційних матеріалів в техніці підвищує ресурс роботи устаткування, зменшує його масу, підвищує допустимі навантаження, дозволяє економити дефіцитні матеріали. Проте в деяких випадках широке вживання композиційних матеріалів в техніці стримується високою вартістю армуючих компонентів (волокон, вусів, ниткоподібних кристалів).

Для ефективного використання композиційних матеріалів необхідно виконувати наступні умови: 1) знижувати вартість композиційних матеріалів за рахунок вживання нових технологічних процесів їх здобуття; 2) створювати конструкції і вузли машин і механізмів з врахуванням особливостей композиційних матеріалів; 3) створювати спеціальні технології виготовлення деталей, оскільки традиційні методи не завжди прийнятні для композиційних матеріалів.

7.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧАТКОВИХ МАТЕРІАЛІВ, ЇХ ПРИЗНАЧЕННЯ І ПІДГОТОВКА

Композиційні матеріали складаються з декількох компонентів, що відрізняються один від одного по властивостях і призначенні. Це гетерогенні структури, що включають різні фази, термостабільность яких визначає прочностниє і експлуатаційні властивості матеріалу. Тому при виборі матеріалів для пріго-товленія композиції необхідно враховувати взаємодію на поверхні розділу упрочнітель — матриця. Це особливо поважно при виробництві композиційних матеріалів, зміцнених волокнами. Так якщо в дісперсно-зміцнених матеріалах змічнювач повинен мати як можна велику термодинамічну стабільність, то у волокнистих композиційних матеріалах необхідно забезпечити певний ступінь взаємодії компонентів на поверхні їх розділу оскільки через неї здійснюється передача напруги від матриці до волокна. Проте при цьому слід враховувати, що інтенсивна взаємодія на поверхні розділу приводить до появи пористості, проміжних крихких фаз, що знижує механічні властивості матеріалу. Так, наприклад, при виготовленні композиційного матеріалу просоченням волокон карбіду кремнію розплавленим титаном, їх міцність знижується на 30 % за рахунок взаємодії на кордоні розділу.

Для зниження активної взаємодії на кордоні розділу застосовують легування матриці і створюють бар'єрні шари на зсічнювачах нанесенням з'єднань і елементів, що не взаємодіють з матрицею.

У евтектичних композиційних матеріалах завдання поверхневої взаємодії вирішене природою самого матеріалу, оскільки вони виходять в рівноважних умовах, то термодинамічно стабільні, хімічні потенціали матриці і упрочнітеля рівні, тому відсутня взаємодія до евтектичних температур. Крім того, зміцнююча фаза ідеально зв'язана з матрицею, оскільки міжфазна поверхнева енергія мінімальна.

З коротких характеристик композиційних матеріалів витікають вимоги, що пред'являються до матеріалів матриці і змічнювача.

Матеріал матриці повинен відповідати наступним вимогам: 1) забезпечувати можливість виготовлення деталей заданої форми; 2) мінімально взаємодіяти з змічнювача, забезпечуючи міцне з'єднання матріця—змічнбвач; 3) не піддаватися поліморфним перетворенням в інтервалі робочих температур; 4) мати відносне подовження в 3—4 разу вище за середню деформацію змічнювача; 5) захищати змічнювач від взаємодії з навколишнім середовищем; 6) витримувати навантаження, що додається, і перерозподіляти виникаючу напругу.

Як матричний матеріал композиційних матеріалів застосовуються метали, сплави, тугоплавкі з'єднання, полімерні матеріали. Вибір матеріалу матриці визначається умовами їх роботи і необхідними прочностнимі властивостями. Найбільше підвищення міцності можна отримати при використанні пластичних і деформационно-упрочняємих матриць (алюміній, титан, нікель і їх сплави).

Матричні матеріали композиційних матеріалів діляться на три групи: металеві, керамічні і полімерні.

Для виготовлення металевих композиційних матеріалів використовують сплави алюмінію: що деформуються, не зміцнювані термообробкою Амг, Амц — володіють хорошою пластичністю, високою корозійною стійкістю; що деформуються, зміцнювані термообробкою дуралюміни Д1, Д16, АВ, АК, В95 — після термообробки що полягає в гарті і старінні, мають підвищену міцність; литі алюмінієві сплави — силуміни Ал1, АЛЗ, Ал19, що володіють хорошими ливарними властивостями, але низькими ударною в'язкістю і корозійною стійкістю. Як матричний матеріал використовують також алюміній технічної чистоти. Залежно від методу здобуття композиційного матеріалу алюміній і його сплави застосовують у вигляді порошків, фольги, листів, дроту, чушок.

Сплави магнію використовують як матричні матеріали, оскільки вони мають малу щільність, високу питому проч-ность, добре поглинають енергію ударів і вібрацій і практично не взаємодіють з упрочнітелямі основних класів. Використовують також технічно чистий магній пластичні магнієві сплави Ма5, що добре деформуються, Ма8, ливарні магнієві сплави Мл—5, Мл—15, що володіють хорошими ливарними властивостями. Недолік сплавів магнію — низька корозійна стійкість. 1

Високі питома міцність, корозійна стійкість поріг хладоломкості титану забезпечують його перспективність для аві¬ациі і космічної техніки. Застосовують ;технический титан ВТ 1—0, ВТ 1—00, сплави Вт6с, Вт22 та інші у вигляді порошку або фольги. Титан і його сплави добре піддаються обробці тиском при підвищених температурах.

Мідь і її сплави мають високі пластичність, електро- і теплопровідність, володіють хорошими ливарними властивостями. Прі-меняются у вигляді порошків, фольги, дроту. Недолік — низька міцність при підвищених температурах.

Залізо, нікель кобальт застосовують як матричний матеріал при створенні композиційних матеріалів з підвищеною міцністю і жаростійкістю. Для підвищення експлуатаційних властивостей застосовують легування. Нікель легують хромом, алюмінієм, вольфрамом, молібденом і титаном, що підвищує його корозійну стійкість жароміцність, тривалу міцність. Нікель і нікелеві сплави у вигляді порошків, стрічок, листів, відливань, поковок і прокату використовують при виготовленні композиційних матеріалів.

Залізо і кобальт застосовують у вигляді сплавів, легованих нікелем, хромом і іншими елементами, в основному у вигляді порош-ков тонкої стрічки, відливань.

Тугоплавкі метали вольфрам, ніобій, молібден і сплави на їх основі також застосовують для виготовлення композиційних матеріалів, в основному, дісперсно-упрочненних.

Для виготовлення керамічних композиційних матеріалів використовують порошки оксидів алюмінію, кремнію, цирконію, торія магнію і їх суміші з хромом.

В полімерних композиційних матеріалах матрицею служать полімери. Широко застосовуються епоксидні смоли, що володіють хорошою технологічністю, малою усадкою, регульованою тривалістю і температурою отвержденія, високою адгезією до змічнювачів хорошими змічнювальними властивостями, дозволяють експлуатувати матеріал при температурі 150—200 °С. Поліефірні смоли по багатьом властивостям поступаються епоксидним, але низька вартість і простота вживання дозволяють використовувати їх для виготовлення композиційних матеріалів. Фенолові смоли дозволяють підвищувати температури експлуатації матеріалів до 315 °С, проте вони токсичні і отверждаются при підвищеному тиску. Кремнійорганічні, або силіконові, смоли володіють висо¬кимі корозійною стійкістю, дуго- і жаростійкістю, повишен¬ной теплопровідністю дозволяють експлуатувати матеріали при температурі до 260 °С. Недолік — висока вартість. Полімерні смоли дозволяють підвищити робочі температури до 300 °С, по прочностним властивостях, тепло- і термостійкості перевершують всі останні смоли. Проте вони мають істотний недолік- необхідність отвержденія при високих температурах і тиску.

До зміцнюючої фази пред'являються наступні вимоги:

1)вона повинна мати високу міцність і модуль пружності;

2)бути хімічно стійкою і не піддаватися поліморфним перетвореням в інтервалі робочих температур; 3) володіти термо-стойкостью; 4) відношення довжини до діаметру для зміцнюючої фа-зи волокнистих композиційних матеріалів має бути > 10 при діаметрі менше 1 мм, для дісперсно-зміцнених — розмір часток 0,01—0,05 мкм.

Для здобуття армованих волокнистих композиційних матеріалів використовують: 1) проволікатиму з вуглецевих і легованих сталей, вольфраму, молібдену, берилія, титану, ніобію і др.; 2) волокна бору, карбіду кремнію, борсика, а також органічні, угл.еродниє, скляні і керамічні волокна; 3) ниткоподібні кристали.

Широко застосовується як упрочнітеля композиційних матеріалів металевий дріт, що має хорошу технологічність, порівняно низьку вартість, високу міцність і пластичність. При цьому необхідні властивості використовуваного дроту на основі заліза легко досягаються звичайними методами термообробки.

Властивості дроту з вуглецевих сталей залежать від вмісту вуглецю і виду термообробки. Високі прочностниє властивості має дріт, підданий термообробці — патентірованію, яку проводять перед волочінням. Вона полягає в нагріві заготівки до 860—940 °С, витримці і ступінчастому охолоджуванні в соляних ваннах при 410—550 °С, а потім на повітрі або у воді. Структура є тонкопластінчатий перлитом, який після холодного волочіння деформується і упрочняєт-ся. Такою обробкою досягається межа міцності 2800— 3000 Мпа.

Підвищують міцність вуглецевих сталей методом електро-термічеськой обробки, яка полягає в швидкому нагріві (400 °С/с) до аустенітного достатку, плющенню в ручьевих калібрах, охолоджуванні на повітрі і холодному волочінні. Швидкий нагрів приводить до неоднородності структури по вуглецю. Тому при деформації і охолоджуванні пластини цементіта направлено виділяються в основі фериту. Холодне волочіння орієнтує їх уздовж осі дроту. Виходить феррітная основа, армована пластинами цементіта, що дає 20—30 % приросту міцності стали У8а. Недолік вуглецевих проволікав — відносно низькі робочі температури (до250°с).

Проволікатиму з нержавеющих сталей також отримують волочінням заготовок при підвищених температурах. Перевага цих проволікав — поєднання високих прочностних властивостей з хорошими пластичністю і корозійною стійкістю. Крім того, залежно від вмісту легуючих елементів і виду обробки можна отримувати дроту з різними структурами – аустенітної, аустенітно-мартенситной і мартенситпой, і в широких ірги лах регулювати міцність і пластичність. Представниками сталей аустенітного класу є сталі Х18н9т, Х18н10т, аустенітно-мартенситного — 2х15н5амз, і мартенситного — 3X13, 4X13.

Високою міцністю володіють дроту з мартенситно-стареющих сталей. Особливістю цих сталей є висока пластичність в холодному достатку при гарті їх від температур аустенізациі. При обробці холодом аустенітная структура перетворюється на мартенситную що супроводиться підвищенням твердості і міцності. Завершуючий етап в технологічному процессе— старіння, яке проводять при нагріві до температури 450—500 °С протягом 4—6 ч. Що виділяються при старінні інтерметаллічеськие з'єднання сприяють підвищенню міцності стали. Здатність мартенситно-стареющих сталей зміцнюватися при нагріві дозволяє отримувати високоміцні композиційні мате¬ріали. Це пов'язано з тим, що технологія виготовлення композіционних матеріалів передбачає нагрів композицій до тем ператур 300—600 °С. При цьому дріт інших сталей разупроч-няєтся а мартенситно-стареющая підвищує міцність до 3500—4000 Мпа.

Дріт з вольфраму і молібдену характеризується високими прочностнимі властивостями і модулем пружності, які зберігаються при підвищених температурах. Для підвищення тривалої міцності і повзучості при підвищених температурах вольфрам і молібден легують кремнещелочнимі присадками, оксидом торія ренієм і ін. При температурі 1100°с найбільш високу тривалу міцність має дріт вольфраморенієвого сплаву ВР-20, а при 1200 °С — вольфрам з добавками оксиду торія Вт—15.

Для виготовлення композиційних матеріалів з низькою щільністю застосовують дріт берилія. При щільності 1850 г/см3 вона володіє високою міцністю і модулем пружності. Межа міцності на розтягування дроту берилія перетином 127 і 51 мкм складає відповідно 1336 і 1455 Мпа, а межа текучості — 1055 і 130 Мпа.

Проволікай титана, ніобію і біметалів в композиційних матеріалах застосовуються обмежено у зв'язку з трудністю їх виготовлення.

Вживання волокон бору, карбіду кремнію і борсика обуслов-лено їх низькою щільністю, високими міцністю (2500—4000мпа), модулем пружності (385—500 Мпа) і температурою плавлення. З підвищенням температури міцність волокон зменшується (рис. 56). При цьому швидкість разупрочненія залежить від середи, в якій проводять нагрів. Особливо вона висока у волокнах бору при нагріві на повітрі, що пов'язане з утворенням борного ангідриду і зменшенням ефективного переріза волокна.

Волокна бору карбіду кремнію перетином до 150 мкм отримують осадженням їх з газової фази на нагріту до 1100—1200 °С прямим пропусканням струму вольфрамовий дріт перетином 12,5 мкм в двокамерній печі. У першій камері відбувається дегазація і знежирення дроту, в другій — осадження з газової суміші бору або карбіду кремнію. Співвідношення компонентів в газовій суміші залежить від діаметру отримуваного волокна, діаметру вольфрамового дроту і розмірів реакційної камери.

Волокна бору отримують відновленням тетрахлоріда бору воднем по реакції

За рахунок взаємодії осідаючого бору з вольфрамом склад волокна змінюється по перетину від поверхні до середини:

При тривалому нагріві серцевина складається в основному з WB₄. Така неравномерность фазового складу по перетину волокна приводить до виникнення в серцевині стискуючої напруги, а на поверхні — що розтягують.

При осадженні карбіду кремнію як початкової парога-зової суміші використовують суміш метілтріхлорсилана СН₃SiС1з, аргону і водню. Карбід кремнію утворюється по сумарній реакції

У промисловому масштабі освоєний випуск волокон карбіду крем-нія перетином 100 мкм і міцністю 3—4 Гпа.

Карбід кремнію шаром товщиною 3—5 мкм наносять також на волокна бору для підвищення їх жароміцності і запобігання взаємодії з деякими металевими матрицями, наприклад з алюмінієм. Отримувані таким чином волокна називаються борсиком. При підвищених температурах на повітрі міцність волокон борсика значно вища, ніж бору. Наносять карбід кремнію на волокна бору за такою ж схемою, як і при полу¬ченії волокон карбіду кремнію.

Органічні волокна мають висока міцність і жорсткість завдяки витягнутим уздовж осі волокон макромолекулам поліме¬ра. Найбільш високі прочностниє показники мають волокна по-лібензамідов і поліамідгидразідов і зберігають їх при повишен¬них температурах. Поліпіромеллітімідноє волокно арімід з міцністю 500 Мпа і відносним подовженням на розрив 8— 12 % після витримки при температурі 300 °С зберігає 74 % на¬чальной міцності, а при температурі 400 °С — 35 %. Всі вживані органічні волокна стійкі проти дії кислот лугів і органічних розчинників.

Більшість органічних волокон отримують продавлюванням розплавів або розчинів полімерів через тонкі отвори з подальшим твердінням витікаючих рідких струменів. Твердіння може відбуватися в результаті охолоджування або випару розчинника.

Волокна вуглецю володіють високою міцністю і модулем пружності, низькою щільністю і по питомій міцності превосхо¬дят всі жаростійкі волокна. Так, високоміцні волокна вуглецю мають межу міцності на розтягування 2500—3500 Мпа і модуль пружності 200—700 Мпа при щільності 1,600—1,800 г/см5 а також високі теплостійкість і еоектрофізичні властивості (від напівпровідників до провідників з провідністю металів).

Недоліками волокон вуглецю є наявність поверхневих дефектів, окислювана на повітрі, хімічна взаємодія з деякими металами і низька адгезія до полімерних матриць. Для зменшення поверхневих дефектів волокон пріме¬няют окислення поверхні, труїть в різних реактивах. Для зменшення хімічної взаємодії і поліпшення їх адгезіонних властивостей на поверхню волокон наносять металеві або керамічні покриття. Для підвищення межі міцності на зрушення на поверхню волокон також наносять вуса, розташовані перпендикулярно до осі волокна.

Отримують волокна вуглецю з органічних волокон термообробкою. Основними видами сировини служать віскозні і поліакрі-лонітрільниє (ПАН) волокна, а також пеки, багаті вуглецем, і фенолові смоли, з яких спочатку отримують органічні волокна. Для здобуття високоміцних волокон з пеков і фенолових смол використовують спеціальні технологічні схеми. Проте, при використанні пеков виділяються канцерогенні веще¬ства. Тому переважно для виготовлення волокон вуглецю застосовують волокна віскози і поліакрілонітріла (схема 24).

Технологія здобуття волокон вуглецю з ПАН простіша. Натягнення, що прикладаються при графітізациі, необхідні для створення орієнтації крісталлітов уздовж осі волокна. Для збільшення жорсткості і міцності таких волокон їх легують бором, опромінюють нейтронами вводять перед піролізом буру або золь кремнієвої кислоти.

Використання ПАН дозволяє отримувати високоміцні і високомодульниє волокна вуглецю з великим, в порівнянні з віскозою, виходом вуглецю і по простіший технології.

Волокна віскози дешевше за волокна ПАН проте для достіже-нія високої міцності їх графітізацию необхідно вести при вищих температурах.

У промислових масштабах випускаються високоміцні ви-сокомодульниє вуглецеві волокна з межею міцності 1400— 3500 Мпа і модулем пружності 70—600 Гпа.

Скляні волокна невисокої щільності мають міцність 1000—6000 Мпа, володіють високими теплостійкістю, хімічною стійкістю, низькою теплопровідністю і низьким КТР. Властивості скляних волокон визначаються складом, технологією виготовлення і діаметром волокна. Широко застосовуються для виготовлення волокон наступні стекла: безщелочниє алюмоборосилікатниє (тип Е), лужні (тип А), малощелочниє (тип З) і кремнеземні.

Проводять скляні волокна двох видів: безперервні і штапельні. Перший вигляд характеризується прямолінійністю і неограніченной довжиною, другою — хаотичною хвилястістю і невеликою довжиною. Вид волокон залежить від способу їх виготовлення. Використовують три способи виготовлення скляних волокон: витягування з розплаву через фільєри, витягування з скляних штабіков при їх нагріві, руйнування струменя скломаси під дією відцентрових сил, потоку повітря, газу або пари.

Найбільш широке вживання знаходить спосіб витягування волокон з розплаву через фільєри за схемою, представленою на мал. 57. Скляні кульки з бункера 1 поступають в плавильний пристрій 2, де розплавляються і видавлюються через систему платинових, що підігріваються, фільєр 3. Після виходу з фільєр не-преривниє нитки з'єднуються в пасмі 4, обробляються замаслі-вателем 5 і накручуються на бобіну 6. Замасліватель застосовують для зниження абразивної дії волокон один на одного. Використовують два види замаслівателей: пасивні і активні. Пасивні замаслівателі зменшують абразивну дію і погіршують адгезію при виготовленні композиційних матеріалів, тому їх необхідно видаляти перед введенням в матрицю. Актів¬ниє замаслівателі виконують подвійну функцію: зменшують абразивну дію і підсилюють адгезію волокна до матриці.

Як пасивних замаслівателей використовують емульсії пара-фіна, крохмалю або машинне масло, як активні — металле- або кремнійорганічні з’єднання.

І нколи для підвищення стійкості скляних волокон до стирання поліпшення прочностних характеристик і забезпечення на-дежной зв'язку волокон з матрицею на їх поверхню наносять покриття з цинку, нікелю, міді або заліза двома способами: з парової фази і з розплаву. У першому випадку волокно протягують через камеру, заповнену парами металу, в другому — пропускають через розплав металу.

Керамічні волокна застосовують для виготовлення жаропроч-них і теплозахисних композиційних матеріалів. Вони складаються з тугоплавких хімічно інертних з'єднань: А1203, 2г02, ВИ, В4с, А1203—сг203, А1203—5102. По структурі керамічні волок-на діляться на полі- і монокрісталлічеськие. Полікрісталлічеськие волокна мають структуру порошкової беспорістой кераміки з неорієнтірованнимі зернами. Вони володіють перевагами в порівнянні з монокрісталлічеськимі: значно дешевше, характеризуються більшою однорідністю і меншим розкидом міцності, кращою технологічністю що визначає їх переважне вживання. Міцність керамічних волокон залежить від складу і складає 1220—2450 Мпа, модуль пружності — 90—480 Гпа.

Отримувати керамічні волокна можна трьома методами: екструзієй в'язкого металоорганічного розчину, сушкою тонкої плівки металоорганічного розчину (плівковий метод) і деформацією порошкових сумішей.

Найбільш поширений метод екструзії що полягає в пріго-товленії суспензії колоїдного розчину металоорганічної сполуки, формуванні волокна і обжіг.е для його ущільнення і стабілізації структури. Так, для здобуття полікрісталлічес-ких волокон оксиду алюмінію використовують суміш порошку формо-ацетата алюмінію А1(ВІН) (Сн02) (С2н302) з водою (1:1) з до-бавленієм 10 %-го розчину винної кислоти. Суміш нагрівають до 50—80 °С у вакуумі для видалення повітря, води і залишків кисло-ти, що супроводиться підвищенням в'язкості до 200—250 Па-с. Потім розчин заливають в резервуар пристрою, схема якого приведена на рис. 58.

З резервуару 1 рідина, що знаходиться лод тиском азоту 10—12 Мпа, поступає в шестерний насос 2, який створює необхідний тиск, вимірюваний манометром 3. Потім рідина через фільтр 4, що затримує твер¬диє частки, поступає на фільєри 5 розташовані в термоста¬те 6 для підтримки стабільної в'язкості розчину. Фільєра є платиновим стаканчиком перетином 12 мм, в дні якого завтовшки 0,5 мм є більше 15 отворів перетином 127 мкм. Що виходять з фільєр волокна потрапляють в потік гарячого повітря де віддаляється вода і підвищується міцність волокон. Намотування на барабан 7 проводиться з натягненням, при якому діаметр волокна зменшується від 127 до 10—25 мкм. Після сушки волокна повільно нагрівають до 1500°с. При температурі 500— 700 °С вигоряють органічні речовини і залишається аморфний оксид алюмінію при 1000 °С утворюється кристалічний сс-а120з, при 1500 °С — р-а1203.

Плівковий метод полягає в пріготовл.енії розчинів органієських солей алюмінію, гафнію, торія, ніобію і інших металів, фільтрації і нанесенні плівки розчину на гладку поверхню, наприклад стекло. При нагріві до температури 80—120 °С рідина випаровується і розчин твердне. На останніх стадіях сушки плівка розривається на тонкі смужки завтовшки в декілька мікрометрів і довжиною до 3 див. Відокремлені від підкладки волокна піддають відпалу при 1200—1400 °С на повітрі для видалення органічних речовин і перетворення матеріалу волокон в оксидну кераміку. При цьому аморфна структура перетворюється на тонкокрісталлічеськую.

Недолік методу полягає в неможливості здобуття безперервних волокон з перетином округлої форми.

Метод здобуття волокон деформацією порошкових сумішей полягає в приготуванні суміші, що складається з металів і оксидів, волокна яких необхідно отримати. Шихту піддають пресуванню, спеканію і гарячій екструзії. В процесі екструзії отримують волокнисту структуру що складається з металевих і Керамічних волокон.

Для виділення керамічного волокна металеве єднальне видаляють таким, що труїть. Недоліки методу — необхідність видалення металевого єднального, низька продуктивність і обмежена довжина волокон.

Ниткоподібними кристалами є дискретні волокна з монокрісталлічеськой структурою діаметром до 10 мкм при співвідношенні довжини до діаметру 20—100. Прочностниє характеристики ниткоподібних кристалів залежать від достатку поверхні, наявності внутрішніх дефектів, діаметрів волокна і часток матеріалу з якого вони виготовляються. По використовуваних для їх виготовлення матеріалах вони розділяються на дві групи: металеві і керамічні.

Межа міцності металевих ниткоподібних кристалів на розрив досягає 13,4 Гпа при подовженні до 4,9 %, керамічних — 40 Гпа, а модуль пружності — 1000 Гпа що перевищує прочностниє характеристики волокон іншого вигляду, виготовлених з таких же матеріалів.

При виготовленні композиційних матеріалів перевагу віддають керамічним волокнам, оскільки вони інертні до матеріалу матриці, разупрочняются при вищих температурах і мають вищу питому міцність.

Проводять ниткоподібні кристали вирощуванням з покриттів, в електричному полі осадженням з газової фази, хімічним; методом, кристалізацією з розчинів.

Вирощуванням з покриттів отримують ниткоподібні кристали легкоплавких металів (цинк, олово, кадмій, індій і ін.). Суть методу полягає в мимовільному рост.е ниткоподібних кристалів з тонкого покриття металу, нанесеного на гладку поверхню. Швидкість росту підвищується на одін-два ладу при додатку тиску, підвищенні температури і створенні окис¬літельной середи. Діаметр отримуваних кристалів досягає розміру 0,1—2 мкм, а довжина — до 5 мм. Після видалення ниткоподібних кристалів, що утворилися, з поверхні на їх місці починають зростати нові.

Вирощування в електричному полі полягає в здобутті ниткоподібних кристалів деяких металів електролітичним осадженням і вирощуванням в електричній дузі високого тиску.

При електролітичному осадженні застосовують електроліт, що містить органічні домішки (желатин, олеїнова кислота, глюкоза) і неорганічеськие частки (стекло або графить). Електроліз ведуть при великій щільності струму. Кристали зростають на катоді а молекули домішок адсорбуються на бічних поверхнях кристалів, перешкоджаючи їх поперечному зростанню. Міцність ниткоподібних кристалів, отриманих цим методом, невисока, оскільки поверхня кристалів забруднена домішками і газами.

Вирощування ниткоподібних кристалів в електричній дузі високого тиску проводиться в дугоразрядних камерах з графітовими електродами під тиском інертного газу. Позитивно заряджений електрод випаровується і пари осідають на негативно зарядженому утворюючи графітові напливи завдовжки в декілька сантиметрів, пронизаних ниткоподібними кристалами напливів. Таким методом отримують ниткоподібні кристали вуглецю діаметром 0,5—5 мкм і довжиною до 3 див.

Осадження з газової фази засноване на перекладі речовини в пароподібний достаток сублімацією або випаром з подальшим масопереносом через газову фазу і конденсацією в зоні охолоджування.

Схема простої камери кристалізації представлена на рис. 59. Камера забезпечена пристроєм для управління градієнтом температур між зонами випару 3 і конденсації 2. У піч поміщають ампулу 1 з початковою речовиною 4 так, що одна частина ампули з речовиною розташовується в камері випару а інша частина в холоднішій зоні — зоні конденсації. Речовина випаровується і переміщається в холоднішу зону, де і відбувається зростання ниткоподібних кристалів. Швидкість росту і властивості кристалів залежать від градієнта температур, тиску пари і ступеня чистоти початкових речовин.

Зростання ниткоподібних кристалів з газової фази обумовлене наявністю на поверхні підкладки виходів дислокацій. Атоми осідаючої речовини приєднуються до незарастающей сходинки на виході дислокацій, що приводить до її обертання і зростання кристала.

Метод осадження з газової фази дозволяє отримувати ниткоподібні кристали багатьох металів і з'єднань діаметром від сотих доль мікрометра до 40 мкм і довжиною до декількох сантиметрів. Для здобуття ниткоподібних кристалів тугоплавких з'єднань цей метод не застосовують у зв'язку з трудністю дотримання параметрів процесу при високих температурах.

Найширше застосовуються хімічні методи здобуття ниткоподібних кристалів оскільки вони не вимагають високих температур і дозволяють отримувати кристали багатьох металів і з'єднань. До хімічних методів здобуття ниткоподібних кристалів відносяться відновлення різних з'єднань, осадження з парогазової середи кристалізація з газової фази через рідку по механізму пар — рідина — кристал (ПЖК).

Як початкові матеріали в першому випадку використовують сульфіди, галогеніди і оксиди, які відновлюють водо-родом в звичайних трубчастих печах. Наприклад, ниткоподібні кріс-талли залоза отримують відновленням хлориду заліза (II) воднем. Алундовую човник з хлоридом заліза (II) поміщають в трубчасту піч, нагріту до температури 600—700 °С, через яку пропускає водень, розбавлений інертним газом. В результаті протікання реакції

на стінках і кромці човники зростають ниткоподібні кристали заліза, розмір і форма яких залежать від умов проведення відновлення (температура, ступінь чистоти початкових продуктів, швидкість пропускання і співвідношення компонентів в суміші водород— інертний газ). Цим методом також можна отримати ні-тевідниє кристали інших чистих металів, двух- і трехкомпонентних сумішей металів, оксидів алюмінію, магнію, карбідів та інші діаметром до десяти мікрометрів і завдовжки декілька сантиметров.

Метод вірощування крісталів осадженням з парогазової суміші в основному застосовують для здобуття ніткоподібніх крісталлов тугоплавких з'єднань. Суть методу полягає у взаємодії парогазової суміші з утворенням газоподібного зєднення і його конденсації на підкладках.

В основі здобуття ніткоподібніх крісталів карбіду кремнію з вікорістанням як початкові матеріалі вугльоводнів і метілтріхлорсилана лежати реакції

Процес ведуть в прохідній герметичної печі з силітовимі або графітовими нагревателямі. Через пічний простір про-тягивают графітову стрічку і пропускають газову суміш. В результаті протікання вказаних вище реакцій на графітовій стрічці утворюються ниткоподібні кристали карбіду кремнію. Процес проводять при температурі 1250—1350 °С, триває він 7 сут.

Широке промислове вживання знаходить метод осадження з парогазової фази ниткоподібних кристалів оксидів, карбідів і бориду діаметром 5—10 мкм і довжиною до декількох сантиметрів.

Метод ПЖК заснований на тому, що речовина, що кристалізується, концентрується в проміжній рідкій фазі, пересичує її і виділяється в твердому перебуванні на кордоні рідина — тверда фаза. Наприклад, при вирощуванні ниткоподібних кристалів крем-нія (мал. 60) на кремнієву підкладку 3 наносять рідку краплю золота що знаходиться при температурі кристалізації, при цьому утворюється розчин 2 золото — кремній. Над підкладкою з рідкою краплею пропускають пари кремнію /, які конденсуються у краплі розплаву, перенасичують його атомами кремнію, надлишок яких виділяється па межі розділу рідина - підкладка. Це призводить до зростання кристала кремнію 4. Розмір кристала визначається діаметром краплі розчину, а швидкість росту - швидкістю кристалізації що надходить до поверхні краплі речовини.

Ниткоподібні кристали, що утворюються в процесі вирощування, істотно відрізняються один від одного досконалістю кристалічної будови, кількістю поверхневих дефектів. Тому після отримання їх сортують за розмірами п формі за допомогою ультразвуку або в апаратах повітряного отмучівалі я. Сортування за розмірами часток проводять також рідинним і повітряним методами.

Для запобігання пошкоджень нитковидних кристалів при переробці, поліпшення смачіваемості матеріалом матриці на їх поверхню наносять різні види покритті хімічним, парофазпим методами і розпиленням.

Всі армуючі елементи вводять в матрицю як орієнтовано, так і разоріентірованно у вигляді окремих волокон, пучків волокон, сіток різного плетіння, повсті, паперу, матів і т. і. Загалом підготовку унрочпітслей перед виготовлення композиційних матеріалів можна розділити на два етапи. Перший етап - це поверхнева обробка, що проводиться з метою поліпшення зв'язку уірочнітсля з матрицею. Для цього використовують хімічну і електрохімічну очищення або миття. Хімічну і електрохімічну очищення проводять з метою видалення окалини, жиру н деяких оксидів розчинами різних кислот. Для прискорення процесу очищення застосовують ультразвук п електричний струм.

Миття виробляють зануренням у ванну, струменевого очищенням, очищенням пором, циркуляцією миючого розчину, що складається з лужних металів, поверхнево-активних речовин.

Другий етап - виготовлення-армуючих елементів. При виробництві композиційних матеріалів необхідно при введенні унрочпітслей надавати їм певне положення в матриці. Це досягається за допомогою армуючих елементів. Металеві, органічні, вуглецеві та скляні волокна збирають у джгути з необхідним зазором і просочують рідким металом. Для одержання композиційних матеріалів з однаковими властивостями у двох напрямках застосовують ткану сітку, яка утворюється перехресним плетінням волокон. Недолік тканих сіток полягає в тому, що їх виготовляють з пластичних дротів, в місці перетину яких виникає контакт, що знижує міцність матеріалу. Сітки трикотажного плетіння позбавлені цих недоліків. Вони виготовляються з високоміцної загартованому металевого дроту. Пружна петельні об'ємна структура сіток забезпечує зменшення контактних напружень і число контактів.

Дріт берилію і титану через високу жорсткості в сітки не переробляються.

Іншим видом армуючих елементів є стрічки та повсть, що складаються з неорієнтовані волокон. Їх отримують методом войлоковапія - рідинного, повітряного, гравітаційного чи вакуумного. Схема рідинного войлоковапія представлена па рис. 61. Суспензію з волокон подають в бак 1, звідки вона надходить на влаговпітивающую стрічку 2. Роликами 3лепта переміщається, проходячи над Камерон відсмоктування рідини 6. Сформованих повсть проходить через притискні валики 4 і, при необхідності, через піч спікання 5.

Армуючі елементи з вуглецевих волокон одержують у процесі їх виготовлення, у вигляді джгутів, повсті, лепти н тканини різноманітного асортименту. Форма армуючого елемента визначається геометрією вихідного матеріалу - віскозних м поліаміднітрільних волокон.

Найбільш перспективні армуючі елементи, отримані в'язанням сіток об'ємного плетіння, і комбіновані сітки, що складаються з різних волокон. Вони забезпечують необхідну спрямованість міцнісних властивостей композиційних матеріалів.

7.4. ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ волокнистих КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

Технологія виготовлення композиційних матеріалів покликана вирішувати наступні завдання: створювати надійний зв'язок уірочнітель-матриця, розподіляти упрочнітель в матриці по необхідної схемою або забезпечувати збереження його розподілу в армуючих компонентах, виключати корозійне, механічне та інші види ушкоджень.

Існує дві технологічні схеми виготовлення композиційних матеріалів, що відрізняються способом з'єднання волокон і матриці: твердо-та рідиннофазної.

Твердофазних спосіб полягає в механічному соедінепіі волокна і матриці у вигляді порошку або фольги з наступним пресуванням методом гарячого пресування, дифузійного зварювання, екструзії чи прокатки. Після деформації матеріал може піддаватися спікання для підвищення міцності властивостей. Недоліки способу-возможтіь пошкодження волокон та їх взаємодія з матрпцей при спіканні.

Жідковазний спосіб передбачає розплавлення матеріалу матриці. Шіріко застосовують просочення, оскільки проникнення розплаву в пучки волокон або мати з дисперсних неорієнтовані волокон не призводить до значних розривів армуючих волокон і зміни фірми армуючих компонентів. Просочення успішно застосовують при виготовленні композиційних матеріалів на основі легкоплавких металів A1, Сu, Ni, Ag і волокон, які гарні ними змочуються. Для поліпшення якості матеріалу просочення проводить у вакуумі.

Більш тугоплавкі метали піддають гарячого пресування при наявності рідкої фази. Полученпие заготовки прокочують або видавлюють в гарячому стані. Труднощі виникають при обробці композиції з неорієнтовані волокнами, які можуть руйнуватися. Якщо волокна орієнтовані, то екструзії і прокатку можна проводити вздовж волокон, не руйнуючи їх.

Іноді застосовують і третій спосіб виготовлення композиційних матеріалів спосіб осадження і напилення. Процес осадження полягає в хімічному або електролітичному осадженні матеріалу матриці на упрочнітель з пари або розчину. Після нанесення покриття великої товщини композицію піддають ущільнення. У процесі осадження в матеріалі завжди залишаються пустоти, що викликає необхідність подальшого ущільнення композиції. Напилювання використовують для одержання композиційних матеріалом за наступною схемою: напилення матеріалу матриці на оправлення, укладання волокон в один шар, напилення матеріалу матриці, повторна одношарова укладання волокон і т. д. до досягнення необхідної товщини композиційного матеріалу. Завершальним етапом є видалення облямовування і при необхідності - механічна обробка деталі.

Серед твердіфазних способів для одержання композиційних матеріалом, армованих безперервними і дискретними волокнами, матами, сітками тощо, широко застосовуються способи порошкової металургії, що дозволяють отримувати композиційні матеріали із заданою пористістю шляхом зміни в широкому діапазоні концентрації волокна. Зазвичай застосовують традиційну технологічну схему: змішування, сушіння, пресування, спікання і механічну обробку.

Змішування відповідальна операція, яка в основному визначаємо властивості композиційного матеріалу, може здійснюватися механічним і хімічним способами.

Рівномірний розподіл компонентів у композиційних матеріалах досягається при змішуванні в конусних, Y-образних змішувачах і змішувачах зі зміщеною віссю. Застосування для змішування кульових млинів і барабанних змішувачів викликає злежуванню волокон. Більш рівномірний розподіл компонентів досягається при мокрому змішуванні в спирті, бензині або воді.

Хімічний спосіб змішування, що складається в осадженні матричного матеріалу на поверхню волокон з розчинів хімічних сполук, дозволяє рівномірно розподілити компоненти, але має низьку продуктивність.

Після мокрого або хімічного змішування суміш сушать при температурі 100-120 ° С. Якщо компоненти відрізняються за щільністю, сушіння виключають з технологічного процесу з метою запобігання розділення компонентів при засипання і формуванні заготовок.

Для формування заготовок застосовують пресування в сталевих прес-формах, гаряче гідростатичний пресування, екструзії, прокатку, віброущільнення, шлікеріое лиття та ущільнення вибухом.

При пресуванні в сталевих прес-формах тиск пресування визначається властивостями застосовуваних волокон. Якщо суміш містить металеві волокна, тиск може бути вищою, ніж при пресуванні композиції з керамічними волокнами. При цьому слід враховувати, що наявність у суміші жорстких волокон перешкоджає рівномірному ущільнення матриці.

Значно зростає рівномірність ущільнення заготовок при гідростатичним пресуванні. Цей метод доцільно використовувати при пресуванні заготовок з орієнтованими волокнами, що дозволяє зберегти заданий розподіл волокон в матриці. Процес гідростатичного пресування композиційних матеріалів аналогічний пресуванню звичайних порошкових сумішей.

Способом екструзії можна одержувати заготовки двох видів. Один вид заготовок отримують продавлювання через мундштук шихти, що складається із суміші компонентів і пластифікатора, інший - гарячої екструзією порошкових прссовок із суміші матричного матеріалу і упрочнітеля. Заготівлі цього виду можуть застосовуватися і як готові вироби. Так, наприклад, при виробництві тітаноберілліевого композиційного матеріалу брикетовані в сталевих оболонках суміші порошків-титану і берилієвої дроту піддають екструзії при температурі 370-350 ° С, а отримані прутки - прокатці і куванні. Основна перевага цього способу - низька температура процесу, яка запобігає утворенню інтерметалідів, що знижують міцність виробі.

Прокаткою суміші можна отримувати великі по ширині і довжині заготовки композиційних матеріалів з рівномірним розподілом щільності по перетину заготовки, а також армовані стрічки та листи. Схема процесу прокатки представлена на рис. 62. Тим валками прокатного стану 5 ущільнюються матричні матеріали у вигляді стрічок 1, 4 або порошки та армуючі компоненти у вигляді, дискретних 2 або 3 безперервних волокон (сітки, тканини). При спільної пластичної деформації волокна вдавлюються в більш пластичну матрицю, а матричний матеріал заповнює всі мікропорожнечі заготівлі і навіть мікротрещіпи на поверхні волокон, що підвищує їх міцність. При одержанні композиційних матеріалів у прокаткою необхідно враховувати, що при поздовжньої прокатці деформація заготовки не повинна бути причиною розриву волокон. Так, при такій прокатці допустима деформація композиції алюміній - сталевий дріт становить 25%.

При поперечнiї прокатці допускається деформація до 80%, оскільки на волокна не діють розтягують напруги. Однак при поперечної прокатці обсяг упрочпітеля допускається меншим (до 15% обсягу), ніж при поздовжньої. Прикладом застосування прокатки може служити процес отримання композиційного матеріалу алюміній - нержавіючі або мартенситних-старіючі сталі. У цьому випадку технологічний процес включає складання пакета, що складається з чергуються листкове матричного матеріалу і волокон, зміст яких при поздовжньої прокатці досягає 90%, а при поперечної - 15%. Потім проводять укладання пакетів в контейнери з листової сталі, які вакууміруют і герметизують. Прокатку ведуть при температурі 450 - 500 ° С. При цьому сумарна обтиснення при поздовжньої прокатці становить 40-60, при поперечної - 70-80%. Поперечну прокатку застосовують також для отримання композиційних матеріалів па основі алюмінію, армованого борна, скло-і полікристалічний волокнами.

Для формування заготовок композиційних матеріалів використовують вибропрессовании і пресування вибухом. Ці способи застосовуються тільки для отримання заготовок складної форми. 'Гак, вібраційним ущільненням отримують матеріали з орієнтованим розташуванням волокон, вибуховим імпульсним пресуванням - вироби з кінцевими властивостями.

Шлікерное лиття є перспективним способом формування композиційних матеріалів, що дозволяє отримувати заготовки складної форми з дискретними волокнами без їх деформації в процесі ущільнення. Застосовують два види шлікерного лиття. Відповідно до першого з них, з порошків матеріалу матриці і волокон готують шлікер і заливають у форму. Отриману заготовку сушать і спікають. Зміст волокон в цьому випадку не перевищує 5-10%. У другому випадку армуючі компоненти поміщають у форму і заливають шлікером матричного складу. При цьому можна використовувати і безперервні волокна.

Прикладом застосування шлікерного лиття служить технологія виготовлення композиційного матеріалу нікель вольфрам. У цьому випадку вольфрамову арматуру просочують шлікером з тонкого порошку нікелевого сплаву. З метою видалення розчинника та попереднього спікання проводять повільний нагрівання заготовки в середовищі водню до температури 820 ° С з витримкою протягом 1 ч. Потім заготовку піддають ізостатичного гарячого пресування при 820 ° С, тиску 138 МПа протягом 1 год, після чого температуру підвищують до 1100 ° С і витримують заготівлю ще 1 ч.

Гаряче пресування дозволяє отримувати беспорістие заготовки при більш низькому тиску і температурах і за більш короткий час в порівнянні з роздільним формуванням і спіканням, що знижує ймовірність руйнування крихких волокон в процесі формування, а також, у зв'язку із застосуванням більш низьких температур і зменшенням тривалості витримки, вдається виключити небажаний хімічна взаємодія між компонентами. Наприклад, композиційний матеріал A1 SiO2 получаюn гарячим пресуванням при температурі 400 -500 "С, тиску 5 - 200 МПа з витримкою протягом 0,75 - 1,5 ч.

При спіканні заготовок, отриманих пресуванням суміші порошкової матриці і волокон, рівномірної усадки матриці перешкоджають волокна, тому існує гранично допустиме значення пористості, нижче якого ущільнення матриці при цьому зміст волокон неможливо. При виборі режимів спікання необхідно враховувати можливі процеси взаємодії волокон з матрицею.

Пластична деформація дозволяє отримувати композиційні матеріали з м'яко деформівних металів і сплавів при уcловіі, що в процесі спільної деформації матриці і волокон

/ - Барабан; 2 - натягач; .9 - бухта с. волкнамі; 4металіческая фольга -

Рис. 65. Схема отримання армованих. Пруткових заготовок (а - армований монослой; б - смуга з армуються і матричними волокнами; в - згортання армованої смуги в рулон):

/ - Матрична рифлена фольга; 2 - матрична смуга;, 1 - армуюче волокно; 4 - волокно з матричного матеріалу.

арматура не руйнується. Пластичну деформацію заготовки композиційного матеріалу проводять прокаткою, імпульсним пресуванням, вибухом, екструзією і т. н.

Складання заготовок для пластичної деформації проводиться па спеціальних пристосування. При застосуванні як упрочнітелей безперервних волокон використовують намотувальні верстати, які укладають упрочнітель з заданим кроком па листовий матеріал матриці. Укладання верств упрочнітеля і аркушів матричного матеріалу чергують (рис. 64). Таку пошарове укладання продовжують до досягнення необхідної товщини заготовки. 15 залежності від форми облямовування можна одержувати заготовки різної форми: листи, грубі, порожнисті профілі. Для виготовлення прутків і дроту пластичною деформацією заготовки отримують згортанням смуги матричного матеріалу з розташованим на ньому мопослоем волокон (рис. 65).

Вибір схеми виготовлення заготовок для пластичної деформації визначається пластичністю волокна. Так, з металевих волокон можна одержувати заготовки з гострими кутами, коли волокна піддаються Нагіб) 'з малими радіусами. При застосуванні жорстких безперервних волокон, наприклад бору, карбіду кремнію, борсіка використовують тільки круглі облямовування і отримують тільки монослоі, які потім складають у стопку і пресують виріб (див. рис. 64, б).

Отримані заготовки піддають пластичної деформації. Якщо дозволяє міцність волокон, заготівлю піддають холодної деформації в закритих прес-формах. Напруга деформації повинна забезпечувати міцну адгезійну зв'язок між листами матричного матеріалу. При використанні волокон з низькою пластичністю, коли високі напруги можуть призвести до руйнування волокон, заготовки піддають дифузійного зварювання при невеликих тисках і температурах, що забезпечують інтенсивне протікання дифузійних процесів. Так отримують композиційні матеріали алюміній-берилієвий дріт у вакуумі або контрольованої газовому середовищі при температурі 500-550 ° С і тиску 50-70 MПa з витримкою протягом 0,1-1,5 г. При температурі зварювання частка на забезпечуватися пластичність і достатня дифузійна рухливість атомів матеріалу матриці, з одного боку, і відсутність хімічної взаємодії її з волокном з іншого. Тиск при дифузійного зварювання повинна забезпечувати пластичну деформацію матриці і не руйнувати волокно.

Перспективний спосіб одержання композиційних мaтeрuaлов - зварювання вибухом. Перевагою цього способу є те, що матеріали композиції не піддаються нагріву і зміцнення матриці відбувається при малій пластичної деформації. 'З'єднання при зварюванні вибухом відбувається в результаті плacтіческой деформації, що забезпечує фізичний контакт матеріалів, локальне перемішування металів у зоні контакту v виділення теплоти, що активує дифузійні, процеси. Оскільки взаємна дифузія незначна через швидкоплинність процесу деформації, застосовують очищення поверхні матеріалу матриці і упрочнітеля для збільшення адгезійного схоплювання в процесі вибуху.

Просочення армуючих елементів рідкої металевої фазою широко застосовують при отриманні металевих композиційних матеріалів. Перевага просочення полягає в можливості отримання беспорістих матеріалів точних геометрічекіх розмірів з необхідним розподілом упрочнітеля. Однак застосування даного способу обмежується через високу реакційної здатності деяких волокон з розплавленими металами. Крім того, для отримання якісних композиційних Мaтеріалом необхідна хороша смачіваемость волокон розплавами матричних матеріалів. З метою зменшення взаємодії волокон з розплавами та підвищення їх смачіваемості на волокна наносять різні покриття або легуючі матричні матеріали.

Процес просочення можна проводити розплавом при нормальному тиску, у вакуумі і під тиском.

Найбільш простим способом є просочування розплавом прі. Нормальному тиску, яка дозволяє отримувати заготовки різної конфігурації і складу. І цьому випадку, як правило,. проводять укладання волокон у форму і заливають їх розплавленим металом чи сплавом. Однак цей спосіб має недолік в тому. що при вмісті 40 об. % Волокон в матриці з'являються пустоти і пористість, що утворюються через відсутність компепсаціі ливарні усадки сплаву. Одним з варіантів цього способу є безперервна просочування (рис. 66). У цьому випадку волокна 1 надходять у ванну з розплавом металу 3, не стикаючись одна з одною. Потім проходять через фільєру 2, що забезпечує необхідний профіль вироби, і надходять в кристалізатор 4, де і про виходить затвердіння композиційного матеріалу 5. Таким способом одержують 'композиційний матеріал магній борної волокно.

Просочення в вакуумі або під тиском застосовують при поганій смачіваемості волокон розплавом матричного матеріалу і необхідності отримання високощільних композиційних матеріалів.

Евтектичних композиційні матеріали отримують звичайними способами спрямованої кристалізації розплавів. При цьому необхідно створити такі умови тепловідведення і градієнт температур, щоб кристали армуючого компоненту рівномірно і направлено розподілялися в матриці.

На закінчення можна зробити наступні висновки:

1. Для виготовлення композиційних матеріалів у більшості випадків використовують методи порошкової металургії: пресування, спікання, гаряче пресування, екструзії і штампування порошкових заготовок. Важливою перевагою даного методу, крім зазначених вище, є можливість регулювання структури матеріалів у широких межах (розмір і форму зерен матричного матеріалу), одержання високоодпородпих матеріалів.

2. Отримання композиційних матеріалів дифузійного зварюванням та зварюванням вибухом не дозволяє досягти високої однорідності матриці через наявність кордону розділу між шарами матричного матеріалу.

3. Пропитка армуючих елементів розплавленим матеріалом

при її кристалізації.

4. При виборі способу отримання композиційного матеріалу в

першу чергу необхідно враховувати можливе зниження ін -

ності волокон і міцність зв'язку волокно - матриця.

7.5. ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ дисперсно-Зміцнення МАТЕРІАЛІВ

Технологічна схема виготовлення дисперсно-зміцнених матеріалів наведена нижче (схема 25).

Дисперсно-зміцнені матеріали виготовляють зі стандартних порошків, що випускаються промисловістю для потреб порошкової металургії. Тому підготовка їх полягає у перевірці хімічного і гранулометричного складів і при необхідності - в сушці.

Властивості вихідних порошків і варіант технології виготовлення таких матеріалів визначаються необхідної структурою одержуваного матеріалу, яка в залежності від розташування дисперсних частинок може бути агрегатної і дисперсної (рис. 67).

Істотний вплив на структуру і властивості роблять розміри дисперсних частинок і рівномірність їх розподілу в об'ємі матеріалу. Тому основною технологічною операцією, яка визначає однорідність суміші, її чистоту і фізико-технічні властивості виробу, є операція змішування.

При виготовленні дисперсно-зміцнених матеріалів використовують такі способи змішування вихідних порошків металів і розподілу дисперсної фази в об'ємі виробу: 1) механічне змішування; 2) поверхневе окислення;. '$) Хімічне осадження з розчинів; 4) водневе відновлення з розчинів; ■ 5) термічне розкладання солона.

Механічне змішування є найбільш простим і дешевим способом отримання сумішей, за якої можливе одночасне змішування і розмел складових. Для змішування: використовують різні млини: кульові, вихрові, конусні змішувачі, аттрітори, турбулентні змішувачі і т. п. Вибір обладнання для змішування залежить від дисперсності частинок порошків, тривалості змішування і ступеня забруднення порошків сторонніми домішками. Загальна тривалість змішування в залежності від застосовуваного обладнання та характеру вихідних порошків коливається від декількох хвилин до десятків годин.

При розуміли в повітряному середовищі підвищення дисперсності порошків призводить до їх окислення. При цьому тривалий металів з низькою спорідненістю до кисню утворюються оксиди відновлюються в відновної середовищі і активують спікання. При роз -

моле високоактивних металів, оксиди яких трудновосстановіми, процес ведуть в захисній або активному середовищі. Так, наприклад, при змішуванні хрому з оксидом торію в кульовий млині процес, ведуть під тиском галогсіідоі 0,0 1,1 All la. Утворені при цьому галогеніди хрому перешкоджають окислення дисперсних частинок хрому і легко відновлюються при спіканні в середовищі водню.

Для підвищення рівномірності механічного змішування застосовують «механічне сплавом», коли в водоохолоджуваних змішувачі створюються умови високоенергетичного зіткнення куль, яке має місце при співвідношенні кулі: суміш рівному 20: 1. У результаті відбувається схоплювання частинок і їх руйнування, що призводить до гомогенізації порошків і рівномірному розподілу зміцнюючої фази.

Більш рівномірний розподіл зміцнюючої фази досягається в тому випадку, коли замість металу в матриці вводять його сіль або оксид, легко відновлювані воднем. Так, наприклад, змішуванням карбонату нікелю з карбідами перехідних металів з подальшим відновленням в середовищі водню отримують дисперсно-зміцнені матеріали па основі нікелю.

Поверхневий окислення застосовують у тих випадках, коли як упрочнітелей використовують оксид металу. Прикладом поверхневого окислення порошків можуть служити випускаються промисловістю порошки для виробництва сплавів типу САП. Перша стадія окислення відбувається під час розпилювання рідкого алюмінію струменем стисненого повітря. Для забезпечення потрібного ступеня окислення використовують повітря, збагачений азотом і містить менше 10% кисню. Друга стадія окислення відбувається при розуміли отриманих порошків у кульових млинах, де також руйнується первинна оксидна плівка і порошок комкустся за рахунок зварювання частинок. Для забезпечення переваги при розуміли процесів подрібнення вводять поверхнево-активна речовина, в якості якого найчастіше використовують стеаринову кислоту. Подрібнення ведуть до тих пір, поки сумарна поверхня порошку не збільшиться настільки, що введеного 11ЛВ буде достатньо для її повного покриття. Таким чином, кількістю вводиться ІЛВ регулюють розмір часток алюмінію і кількість оксиду алюмінії в суміші. У промислових масштабах випускаються порошки трьох марок, що відрізняються вмістом оксиду алюмінію: АПС 1 (6-9%), АПС-2 (1-13%) і АПС - 3 (1-17%)

Хімічне осадження з розчинів дозволяє домогтися рівномірного розподілу компонентів дисперсно-зміцнених сплавів. Застосовують два способи хімічного осадження. У нервом використовують в основному здатність ряду металів осаджуватися з розчинів па частках зміцнюючої фази при введенні в розчин сполук, що мають відновлювальні властивості. Прикладом може служити відновлення з'єднання міді гідразину па частках оксиду торію, здійснюване з водного розчину моногідрату ацетату міді, гідроксиду амонію та розрахункової кількості порошку оксиду торію. У процесі осадженні частинки оксиду торію покриваються міддю. Таким способом можна отримаємо, і інші композиції для виготовлення дисперсно зміцнених сплавів. Спосіб простий, проте має недолік, який полягає в необхідності додаткової обробки порошків для відмивання їх від продуктів реакції, сушки і видалення шкідливих домішок.

Другий спосіб знаходить більш широке, застосування і полягає у спільному осадженні нерозчинні з'єднання, які навіщо переводять в оксиди шляхом термічного розкладання і піддають селективного відновлення. Практично для всіх матеріалів можна підібрати відповідні умови осадження і? розчинів нерозчинних з'єднань і переведення їх в оксиди. При цьому обов'язковою надалі має бути відновлення оксиду матричного матеріалу при збереженні оксиду упрочнітеля. У цьому випадку перевагу слід віддавати нітратів, оскільки вони добре розчинні у процесі розкладання опадів, що містяться в них, азот легко віддаляється у вигляді оксидів. Так, для отримання дисперсно-зміцненого матеріалу нікель - оксид гафнію застосовують хімічне осадження з водних розчинів нітрату нікелю і гідроксиду або нітрату гафнію. Як осадітеля використовують карбонат амонію. На дисперсність порошків впливають концентрація вихідних компонентів, температура і тривалість витримки осаду в матричному розчині.

Відновлення воднем в розчинах дозволяє отримувати суміші для виготовлення дисперсно-зміцнених матеріалів високого ступеня чистоти. Процес може відбуватися тільки в тому випадку, коли потенціал реакції іонізації водню перевищує потенціал реакції відновлення. Відновлення проходить у декілька стадій: розчинення водню, дифузійне переміщення і адсорбція його на поверхні зародка, реакція на пої поверхні, десорбції і відведення продуктів реакції. Таким способом, наприклад, одержують порошки нікелю з зміцнюючої добавкою оксиду торію. Процес відновлення pan злодія комплексної сприяння з і нікелю і золів оксиду торію (IV) проводять в авюклавах з пропелерним мішалками при 120 - 200 ° С і тиску водню до 4 МПа.

Термічному розкладі суміші солей можна досягти ідеально рівномірного розподілу компонентів у випадку збереження рівномірності розподілу компонентів в розчині. У процесі перекладу розчину солей в суміш оксидів шляхом гідратації і термічного розкладу рівномірність розподілу компонентів то може порушене через дрібного характеру кристалізації солей і ліквації складових при дегідратації. Для запобігання цьому зменшують тривалість просеканія процесів, заморожуючи розчин або впорскуючи його через форсунку в гарячу камеру.

Заготівлі дисперсно-зміцнених матеріалів формують практично всіма відомими способами порошкової металургії пресуванням у сталевих прес-формах, холодним і гарячим пресуванням ізостатичного, прокаткою і шлікерним литтям та ін Найбільш широко застосовують; способи пресування в сталевих прес-формах і ізостатичного пресування.

Особливістю пресування є наявність зміцнюючої фази, яка впливає на об'ємні характеристики суміші (насипна щільність, вага утруски, формуемости). Насипна щільність зменшується зі збільшенням вмісту зміцнюючої фази. Тому, щоб щільність пресування із суміші порошків вийшла рівною щільності чистого матеріалу матриці, необхідно підвищувати тиск пресування. Так, наприклад, залежність щільності матеріалів Fе - Сr3С2, Fe - Сг-Ni-WC від тиску пресування b змісту упрочнітеля задовільно описується рівнянням

Lg y = lg ym + n (lgP - lgPm),

де у - щільність пресування; ут - вага утруски; Р - тиск пресування Рт - тиск підпресування; п - постійна, яка для даного матеріалу дорівнює

n = nо (1 + / <г),

де П0 - постійна для основного компонента; <>> - зміст другого компонента; к - постійна, що характеризує властивості даної системи (для Fe - Сг3С2г = 0,12; для Fе Сг-0, 22; для Ni - WC - 0,2 ; для Ni - ZrC - 0,244).

Ця залежність справедлива і для деяких інших металів.

Порошок дисперсно-зміцнених матеріалів мають хорошу формуемости, оскільки володіють великою питомою поверхнею.

Спіканням дисперсно-зміцнених матеріалів не вдається отримувати беспорістие заготовки, оскільки наявність в обсязі заготівлі інертних частинок гальмує процес спікання. Другою особливістю спікання є необхідність запобігання укрупнення зміцнюючих частинок. Так, при спіканні сумішей, що містять оксид алюмінію, при 1200 ° С протягом 2 год їх розмір збільшується від 30 до 200 їм, а при 1000 ° С за 300 год спікання-від 30 до 100 ім. Збільшення розмірів часток упрочняюще!! фази характерно для систем, що вимагають високих температур спікання, наприклад для сплавів металів групи заліза і тугоплавких металів.

При подальшій гарячої деформації, що забезпечує отримання практично беспорістих заготовок, при спіканні заготовок дисперсно-зміцнених матеріалів не ставиться мета отримання високої щільності. Основною метою спікання є довосстапов-лепіс оксидів і дегазація прессовок, оскільки зміст газів на розвинутої поверхні порошків може досягати великих величин. Так, алюмінієві порошки можуть містити до 1200 см3 газу на 100 м.

Спікання заготовок дисперсно-зміцнених матеріалів провозідят в середовищі водню, у вакуумі з застосуванням сооветствующіх печей та гарячого пресування.

Деформація і термообробка заготовок після спікання приводять до поліпшення структури діеперсно-унрочнеппо 'про матеріалу. У цьому випадку формується стійка дислокаційної структура, що підвищує тривалу міцність. Для деформаці1 порошкових заготовок застосовують екструзії в пластичних оболоч1 ах для запобігання окислення при обтиску 1: 40, після ек важко - холодну або гарячу деформацію (волочіння, прокатку, ковку) з обтисненням за прохід 5-25% при сумарному обжав ін до 95%. Заключна операція - отжиг, що приводить до роту зерен матеріалу матриці і утворення двійників відпалу

високої щільності, що знижують швидкість поширення тріщини при руйнуванні.

Питання для самоконтролю

1.Як класифікуються композиційні''матеріали?

2.Як матеріали використовуються як матрицю КЛ

3.Як ви знаєте види армуючим елементів і методи отримання?

4.Які вимоги пред'являються до компонентів КМ?

5.Які природа високої міцності коміпозіціонних матеріалів

6.Какіе ви знаєте технологічні варіанти виготовлення композиційних матеріалів?

7.Расскажіте про механізм зміцнення дігперсно-унрочненних матеріалів.

8.Які ви знаєте технологічні паркам ил отримання дісрерсно-зміцнених матеріалів?